CN110901866B - 一种用于中小型水下无人航行器的浮力快速调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于中小型水下无人航行器的浮力快速调节系统，包括储备水箱、第一水泵、第二水泵、第一单向阀、第二单向阀、第一液位传感器、第二液位传感器、第三液位传感器、第四液位传感器、第三单向阀、第四单向阀；储备水箱顶部固定有顶盖并设有过水孔和入口接头，储备水箱底部设有集水凹槽并设有出口接头。第一液位传感器、第二液位传感器、第三单向阀、第四单向阀均安装在顶盖上；第三液位传感器、第四液位传感器安装于集水凹槽处。储备水箱的侧壁设有用于同水下航行器固连的固定架。第一水泵的水流入口与储备水箱底部出口接头连接，第一水泵的水流出口与第一单向阀连接；第二水泵的水流出口依次与第二单向阀、注水管、储备水箱连接。

Description

一种用于中小型水下无人航行器的浮力快速调节系统

技术领域

本发明属于新型海洋无人航行器领域，具体涉及一种用于中小型水下无人航行器的浮力快速调节系统。

背景技术

海洋无人航行器是指在海洋航行的无人系统，是现代海洋观测、资源探测、数据传输通讯的重要工具。依据垂向航行空间，可分为水面无人航行器与水下无人航行器两类，水面无人航行器常指各型无人船，多基于小型船舶的技术体系开展研制与建造，其采用浮心位于质心下方并预留充足储备浮力的方式降低船体横摇角度并防止横向倾覆；水下无人航行器包括AUV、水下滑翔机等，多基于鱼雷、潜艇的技术体系开展研制与建造，其采用浮心位于质心上方并保持近中性浮力的方式实现在水下稳定航行。

随着无人航行器的广泛使用，海洋工作者对航行器的功能提出了越来越多的需求。当前，水下无人航行器已不再局限于水下工作，仅在水面短暂停留的工作方式。水下无人航行器在水面停留并开展信息采集、数据传输等工作任务的时长显著增加，在水面阶段将水下无人航行器的天线、任务传感器伸出水面的任务需求也逐渐增多。通常，水下无人航行器可提供的正浮力极小，约为总质量的1％。此量级正浮力尚不足以支撑大质量天线、任务传感器伸出水面工作任务，并导致在水面停留阶段水下无人航行器摇晃剧烈、航行稳定性较差。

大体量增加水面阶段储备浮力是提升水下无人航行器在水面阶段航行稳定性及在水面开展多样化探测采集、通迅传输任务的有效途径之一。通过大体量增加水面阶段储备浮力，水下无人航行器可降低吃水水线高度，改变质浮心位置关系，由水下状态的浮心位于质心上方，变为浮心位于质心下方，过渡为无人船采用的水面航行方式。

水下无人航行器实现浮力调节常用方法包括：液压排油法、气体吹除法、抛载法、排水法等，其中液压排油法使用液压泵改变航行器浸水油囊体积实现浮力调节，此法常用于深海高压载荷，浮力调节体积较小的工况；气体吹除法采用释放出预存在气瓶中的高压气体方式排空航行器的封闭水箱实现浮力调节，此法浮力调节速度快，但气路系统复杂，多用于应急浮力调节；抛载法采用抛弃重物的方式减轻航行器自重实现浮力调节，此法不可重复使用，使用后需回收航行器并再次安装重物；排水法采用海水泵排空航行器的封闭水箱实现浮力调节，此法浮力调节体量大，但此法对海水泵的耐腐蚀、长期可靠性提出了极高要求，现有海水泵质量较大不适于在中小型水下航行器中搭载。

综上，现有航行器浮力调节方法是面向百米级深海压力载荷工况，在浮力调节速率与体量、系统简易程度与质量等方面尚无法满足中小型水下无人航行器的近水面处、大体量、快速浮力调节工况使用需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于中小型水下无人航行器的浮力快速调节系统，航行器在水面开展相关任务时，需调节水线位置，储备浮力快速调节系统利用水泵向储备水箱内注入或排出海水改变航行器排水量，实现航行器浮力的大体量、快速调节。本发明工作原理简单、电控件少、所用水泵可耐百米级海水压力，适用于中小型水下无人航行器。本发明对提升中小型航行的航行灵活性，拓展航行空间，增强其使用功能多样性有重要意义。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种用于中小型水下无人航行器的浮力快速调节系统，包括储备水箱、第一水泵、第二水泵、第一单向阀、第二单向阀、第一液位传感器、第二液位传感器、第三液位传感器、第四液位传感器、第三单向阀、第四单向阀；储备水箱顶部固定有顶盖并设有过水孔和入口接头，储备水箱底部设有集水凹槽并设有出口接头。第一液位传感器、第二液位传感器、第三单向阀、第四单向阀均安装在顶盖上；第三液位传感器、第四液位传感器安装于集水凹槽处。储备水箱的侧壁设有用于同水下航行器固连的固定架。

所述第一水泵与第二水泵结构相同，均包括前端盖、承压外壳、后端盖、水密穿舱件、陶瓷轴、叶轮、永磁转子、线圈、固定环；前端盖、后端盖分别与承压外壳用螺栓固定连接，穿舱件安装在后端盖上；陶瓷轴一端固定在前端盖上，另一端安装在承压外壳上的轴孔中，陶瓷轴的两端分别安装有第一耐磨垫片和第二耐磨垫片；永磁转子固定在叶轮上，叶轮与陶瓷轴转动连接，所述叶轮位于第一耐磨垫片与第二耐磨垫片之间；所述承压外壳的中部设有内凹结构的隔离套，永磁转子和内侧线圈分别安装在隔离套的内侧和外侧，固定环压紧嵌入在承压外壳中的线圈。

第一水泵的水流入口与储备水箱底部出口接头连接，第一水泵的水流出口与第一单向阀连接；第二水泵的水流出口依次与第二单向阀、注水管和入口接头连接，所述注水管为U型管，注水管的弯曲部分高出储备水箱顶部。

进一步的，第一单向阀、第二单向阀设定开启压力为0.07bar，第三单向阀、第四单向阀设定开启压力为0.03bar。

进一步的，所述前端盖与承压外壳之间、后端盖与承压外壳之间均安装有密封圈。

进一步的，所述隔档板上开有密集的小孔。

进一步的，所述浮力快速调节系统处于增大储备浮力阶段时，储备水箱中海水被排出，当储备水箱内液面低于第三液位传感器与第四液位传感器时，航行器主控切断第一水泵电源，第一水泵停止工作；处于减小储备浮力阶段时，向储备水箱中注入海水，当液面高于第一液位传感器与第二液位传感器时，航行器主控切断第二水泵电源，第二水泵停止工作。

进一步的，启动第一水泵将储备水箱中海水排出时，第一单向阀、第三单向阀开启，第二单向阀、第四单向阀保持关闭，海水不会灌入储备水箱；启动第二水泵向储备水箱中注入海水时，第二单向阀、第四单向阀开启，第一单向阀、第三单向阀保持关闭，海水不会溢出储备水箱。

进一步的，所述线圈处于承压外壳与后端盖构成的耐压舱中，承压外壳与后端盖采用铝合金材料制作。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明利用离心水泵向水箱注水与排水的工作方式，实现了航行器排水体积与储备浮力的大体量快速调节。

2.本发明仅使用水泵、液位传感器两型电器件，并利用特定开启压力的单向阀与特定走向的密封管路实现系统的注水、排水以及防倒灌功能，无需额外的电控方向阀、电控通断阀，电控器件少，系统简单。

3.本发明的水泵线圈安装在水泵密封防水的承压外壳内，水泵永磁转子浸泡在水中，内侧线圈与永磁转子由承压外壳的隔离套分隔。在承压外壳保护下，水泵具备百米级耐压能力，水泵可伴随航行器下潜至数百米深度。线圈利用磁耦合方式驱动永磁转子并带动叶轮转动，进而实现注水或排水。水泵整体结构紧凑、小巧。

4.本发明的水泵为离心泵，与相同功率等级的柱塞水泵、隔膜水泵相比，具有低载荷压力工况下流量大、调节速度快、质量轻的优点。适用于航行器在水面快速调节储备浮力。

5.本发明利用液位传感器遇水导通检测电路的原理实现注排水过程的启停检测功能，此方式简单可靠。在水箱顶部与底部分别设计有过水孔、隔挡板，削弱了液面晃动及其对水位检测的干扰。

6.本发明注水管为U型管路并且U型弯曲部分高于储备水箱顶部，水泵水流出口处第一单向阀、第二单向阀设定开启压力为0.07bar，储备水箱顶部处第三单向阀、第四单向阀设定开启压力为0.03bar，此种设计可防止海水经注水泵灌入储备水箱，或经排水泵溢出储备水箱。

7.本发明的储备水箱由塑料板拼接，热熔粘接制成，耐腐蚀，抗老化，可长期在海水中使用。储备水箱可根据航行器内部空间约束进行包络外形设计与安装布置，灵活性强。

8.本发明各器件与单元设计紧凑小巧、集成度高，适于在百公斤级的中小型水下无人航行器中集成使用，以实现海洋航行器在近水面处的大体量储备浮力调节，改变航行器水线高度。

9.本发明工作原理简单，不需要特殊加工工艺和特殊零部件，技术成熟，成本低

附图说明

图1a和图1b是本发明总体结构示意图；

图2是本发明水泵结构示意图；

图3是本发明系统工作原理图；

图4a和图4b是航行器水线位置变化示意图；

图5a和图5b是本发明在中小型水下无人航行器中的安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一种用于中小型水下无人航行器的浮力快速调节系统，主要包括储备水箱1、水泵2a、水泵2b、单向阀3a、单向阀3b、液位传感器4a、液位传感器4b、液位传感器4c、液位传感器4d、单向阀5a、单向阀5b，如图1a和图1b所示。储备水箱1顶部开有过水孔11，在储备水箱1注入海水阶段液面上升由过水孔11进入顶盖14；储备水箱1底部有集水凹槽12，出口接头18安装在集水凹槽12处，在排水时剩余海水可集中在集水凹槽12处被排出。所述隔档板13a、隔档板13b安装在储备水箱1底部，隔档板13a、隔档板13b上面开有密集小孔。在近水面位置，受海表波浪扰动影响，储备水箱1内液面会出现晃动现象，过水孔11和隔档板13a、隔档板13b可显著削弱液面晃动程度及对液面水位检测的干扰。

顶盖14固定在储备水箱1顶部。顶盖14顶部安装有液位传感器4a、液位传感器4b、单向阀5a、单向阀5b。液位传感器4c、液位传感器4d安装在储备水箱1的集水凹槽12处。集水凹槽12、顶盖14水平截面积较小，储备水箱1内液面下降至集水凹槽12或上升至顶盖14时晃动减弱，有利于提高液位传感器4a、液位传感器4b、液位传感器4c、液位传感器4d的检测准确度。所述液位传感器4a、液位传感器4b、液位传感器4c、液位传感器4d用于检测储备水箱1内液面位置，当储备水箱1内液面超出液位传感器4a与液位传感器4b时，液位传感器4a与液位传感器4b发出低电平信号，当储备水箱1内液面低于液位传感器4c与液位传感器4d时，液位传感器4c与液位传感器4d发出高电平信号。液位传感器4采用成对安装形式以提升检测准确度。当储备水箱1中内外压差高于单向阀5a或单向阀5b开启压力时，单向阀5a或单向阀5b打开并实现空气流入或排出储备水箱1。

固定架15固定安装在储备水箱1侧面，储备水箱1通过固定架15与航行器实现机械固定连接。

如图2所示，水泵2a与水泵2b为相同结构的水泵，均包括前端盖21、承压外壳22、后端盖23、穿舱件24、耐磨垫片25a、耐磨垫片25b、陶瓷轴26、叶轮27、永磁转子28a、线圈28b、固定环29，前端盖21与承压外壳22用螺栓固定连接，二者之间的空腔容纳叶轮27，承压外壳22上安装有密封圈221，用于密封端盖21与承压外壳22之间的接触面。后端盖23用螺栓固定在承压外壳22尾部，后端盖23上安装有密封圈231，用于密封承压外壳22与后端盖23之间的接触面，承压外壳22与后端盖23之间形成耐压舱。穿舱件24安装在后端盖23上，穿舱件24上可引出线缆，线缆用于向线圈28b供电。陶瓷轴26一端固定安装在前端盖21上，一端安装在承压外壳22上的轴孔223中，陶瓷轴26靠近前端盖21侧安装耐磨垫片25a，靠近轴孔223侧安装耐磨垫片25b；陶瓷轴26在与前端盖21固定的一端设有止转面，用于阻止陶瓷轴26绕轴线转动。永磁转子28a固定在叶轮27上，叶轮27位于耐磨垫片25a与耐磨垫片25b之间，可在陶瓷轴26上转动；叶轮27绕陶瓷轴26转动时与耐磨垫片25a、耐磨垫片25b、陶瓷轴26产生轻微摩擦，叶轮27、耐磨垫片25a、耐磨垫片25b、陶瓷轴26均采用陶瓷材料制作，具有强耐磨性。线圈28b嵌入在承压外壳22中，固定环29紧贴线圈28b安装，阻止线圈28b产生轴向移动与周向转动。

永磁转子28a装入承压外壳22的隔离套222内侧，线圈28b安装在隔离套222外侧，永磁转子28a与线圈28b通过磁场耦合驱动。水泵2a与水泵2b在启动时，线圈28b密封在承压外壳22与后端盖23之间构成的耐压舱中，永磁转子28a与叶轮27浸泡在海水中，承压外壳22的隔离套222为永磁转子28a和线圈28b提供安装空间同时隔绝海水；承压外壳22与后端盖23采用铝合金材料制作，水泵2a与水泵2b具备百米级水深抗压能力。

水泵2a与水泵2b通电后，线圈28b产生旋转磁场，旋转磁场与永磁转子28a的磁场相互耦合，产生扭矩，驱动永磁转子28a转动，永磁转子28a带动叶轮27旋转。叶轮27高速旋转时，海水从水流入口211进入并在叶轮27离心力作用下从水流出口212流出。

水泵2a与水泵2b为离心泵，停止工作后不具备封闭管路功能，因此在水流出口212连接有单向阀单向阀3a或单向阀3b以封闭管路。当从水流出口212流出的海水压力大于单向阀3a或单向阀3b的开启压力时，单向阀3a或单向阀3b才可打开。水泵2a的水流入口211与储备水箱1底部出口接头18连接，水泵2a的水流出口212与单向阀3a连接。水泵2b的水流出口212与单向阀3b连接，单向阀3b另一接口与入口接头17通过注水管16连接。

注水管16为U型管路并且U型弯曲部分高于储备水箱1顶部，第一单向阀3a、第二单向阀3b设定开启压力为0.07bar，第三单向阀5a、第四单向阀5b设定开启压力为0.03bar，上述设计在水泵2a排水阶段可防止海水经水泵2b与水管16灌入储备水箱1，在水泵2b注水阶段可防止海水经水泵2a溢出储备水箱1，。

本发明的工作过程如下：

本发明工作原理如图3所示。水下无人航行器在水面执行相关任务时，需降低水线高度，储备浮力快速调节系统开始排水阶段工作，水泵2a启动，随后单向阀3a开启，储备水箱1中海水被水泵2a抽出；储备水箱1内压力随海水减少而下降，当内外压差达到单向阀5a开启压力时，单向阀5a开启，空气补充到储备水箱1中。因单向阀3b开启压力大于单向阀5a开启压力，单向阀3b在排水阶段保持关闭状态，阻止海水经注水管16灌入储备水箱1。当储备水箱1内液面逐渐下降至液位传感器4c与液位传感器4d的安装位置时，液位传感器4c与液位传感器4d向航行器主控发出高电平信号，航行器主控切断水泵2a电源，水泵2a停止工作，单向阀3a、单向阀5a自动关闭。此时，储备水箱1中海水被排空，航行器排水量增大，浮力增大，航行器水线高度下降。

在水下无人航行器完成水面任务并进入水下状态时，需提升水线高度，储备浮力快速调节系统开始注水阶段工作，水泵2b启动，随后单向阀3b开启，海水流入储备水箱1中，随着液面上升，储备水箱1中气压逐渐增大，当内外压差达到单向阀5b的开启压力时，单向阀5b开启，空气排出。因单向阀3a开启压力大于单向阀5b开启压力，故单向阀3a在注水阶段保持关闭状态，阻止海水经水泵2a溢出储备水箱1。当液面达到液位传感器4a与液位传感器4b安装位置时，液位传感器4a与液位传感器4b向主控发出低电平信号，主控切断水泵2b电源，水泵2b停止工作，单向阀3b、单向阀5b关闭。储备水箱1中注满海水，航行器排水量减小，浮力减小，航行器水线高度上升。水线位置变化示意图如图4a和4b所示。

本发明在航行器中安装布置如图5a和图5b所示，储备水箱1通过固定架15与航行器实现机械固定连接。本发明应安装在航行器浮心位置处，减少因排水量变化对航行器浮心位置的影响。当航行器需要的储备浮力调节体量较大时，本发明可设置两个储备水箱并用水管连通，两个储备水箱分别位于航行器浮心位置的前后处，如图5b所示。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于中小型水下无人航行器的浮力快速调节系统，其特征在于，包括储备水箱（1）、第一水泵（2a）、第二水泵（2b）、第一单向阀（3a）、第二单向阀（3b）、第一液位传感器（4a）、第二液位传感器（4b）、第三液位传感器（4c）、第四液位传感器（4d）、第三单向阀（5a）、第四单向阀（5b）；所述储备水箱（1）顶部固定有顶盖（14）并设有过水孔（11）和入口接头（17），储备水箱（1）底部设有集水凹槽（12）并设有出口接头（18）；第一液位传感器（4a）、第二液位传感器（4b）、第三单向阀（5a）、第四单向阀（5b）均安装在顶盖（14）上；第三液位传感器（4c）、第四液位传感器（4d）安装于集水凹槽（12）处； 储备水箱（1）的侧壁设有用于同水下航行器固连的固定架（15）；

所述第一水泵（2a）与第二水泵（2b）结构相同，均包括前端盖（21）、承压外壳（22）、后端盖（23）、水密穿舱件（24）、陶瓷轴（26）、叶轮（27）、永磁转子（28a）、线圈（28b）、固定环（29）；前端盖（21）、后端盖（23）分别与承压外壳（22）用螺栓固定连接，穿舱件（24）安装在后端盖（23）上；陶瓷轴（26）一端固定在前端盖（21）上，另一端安装在承压外壳（22）上的轴孔（223）中，陶瓷轴（26）的两端分别安装有第一耐磨垫片（25a）和第二耐磨垫片（25b）；永磁转子（28a）固定在叶轮（27）上，叶轮（27）与陶瓷轴（26）转动连接，所述叶轮（27）位于第一耐磨垫片（25a）与第二耐磨垫片（25b）之间；所述承压外壳（22）的中部设有内凹结构的隔离套（222），永磁转子（28a）和内侧线圈（28b）分别安装在隔离套（222）的内侧和外侧，固定环（29）压紧嵌入在承压外壳（22）中的线圈（28b）；

第一水泵（2a）的水流入口与储备水箱（1）底部出口接头（18）连接，第一水泵（2a）的水流出口与第一单向阀（3a）连接；第二水泵（2b）的水流出口依次与第二单向阀（3b）、注水管（16）和入口接头（17）连接，所述注水管（16）为U型管，注水管（16）的弯曲部分高出储备水箱（1）顶部，所述前端盖（21）与承压外壳（22）之间安装有密封圈（221），后端盖（23）与承压外壳（22）之间安装有密封圈（231），所述浮力快速调节系统处于增大储备浮力阶段时，储备水箱（1）中海水被排出，当储备水箱（1）内液面低于第三液位传感器（4c）与第四液位传感器（4d）时，航行器主控切断第一水泵（2a）电源，第一水泵（2a）停止工作；处于减小储备浮力阶段时，向储备水箱（1）中注入海水，当液面高于第一液位传感器（4a）与第二液位传感器（4b）时，航行器主控切断第二水泵（2b）电源，第二水泵（2b）停止工作，启动第一水泵（2a）将储备水箱（1）中海水排出时，第一单向阀（3a）、第三单向阀（5a）开启，第二单向阀（3b）、第四单向阀（5b）保持关闭，海水不会灌入储备水箱（1）；启动第二水泵（2b）向储备水箱（1）中注入海水时，第二单向阀（3b）、第四单向阀（5b）开启，第一单向阀（3a）、第三单向阀（5a）保持关闭，海水不会溢出储备水箱（1），所述线圈（28b）处于承压外壳（22）与后端盖（23）构成的耐压舱中，承压外壳（22）与后端盖（23）采用铝合金材料制作。

2.根据权利要求1所述一种用于中小型水下无人航行器的浮力快速调节系统，其特征在于，所述第一单向阀（3a）、第二单向阀（3b）设定开启压力为0.07bar，第三单向阀（5a）、第四单向阀（5b）设定开启压力为0.03bar。

3.根据权利要求1所述一种用于中小型水下无人航行器的浮力快速调节系统，其特征在于，储备水箱底部安装有隔档板，所述隔档板上开有密集的小孔。

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